[원자력기사 기출풀이] 2021년 1차 발전로계통공학 6 ~ 10번

 

46. 직경이 8.6 mm인 어떤 핵연료봉의 표면온도가 349 ℃, 냉각재 온도는 299 ℃이다. 이 때, 핵연료봉의 선형출력(kW/m)은? (단, 대류열전달계수 h는 21,850 W/m^2 ℃로 계산하시오.)
    ① 28.0    ② 28.5     ③ 29.0    ④ 29.5

 

 

열전달은 크게 3가지 방식으로 이루어진다.

 

전도 : 접촉한 두 물체 사이에서 분자의 운동에 의해 간접적으로 열을 전달함. 분자들은 이동하지 않음. (연료봉에서 생성된 열이 연료봉 표면으로 전달되는 과정)

 

대류 : 액체나 기체 분자가 직접 움직이면서 열을 전달함 (연료봉 표면에서 냉각재로 전달)

 

복사 : 매개체 없이, 전자기파의 방출을 통해 열을 전달함 (중수로에서 핵연료의 열이 감속재의 중수로 전달)

 

이중 대류 열전달은 다음 공식을 따른다.

 

$$Q = hA\Delta T$$

 

Q : 열전달률

h : 대류열전달계수

A : 열전달이 발생하는 면적

$\Delta T$ : 전열면과 유체 사이의 온도 차이

 

정상상태라면, 시간에 따라 온도가 일정하게 유지되는 상태라면 열발생률과 열전달률을 일치해야 한다.

연료봉 1 m 에서 생성되는 열발생량을 물어보고 있는데, 이는 연료봉 1 m 에서 유체로 전달되는 값과 일치해야 한다.

 

 

$$A = (\pi * 8.6*10^{-3} m ) * 1 m = 0.027 m^2$$

$$Q = 21850 * 0.027 * (349 - 299) = 29516 W = 29.5 kW $$

 

 

 

 

정답 : 4

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47. 원자로냉각재계통 운전변수와 핵비등이탈율(DNBR)과의 관계에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?
    ① 반경방향 첨두계수 증가 시 핵비등이탈율이 증가한다.
    ② 원자로냉각재계통 온도 증가 시 핵비등이탈율이 감소한다.
    ③ 원자로냉각재계통 유량 증가 시 핵비등이탈율이 증가한다.
    ④ 가압기 압력이 감소 시 핵비등이탈율이 감소한다.

 

 

핵비등이탈이란, 비등의 방식이 핵비등에서 부분막비등으로 천이되는 것을 말한다.

 

아래 그림에서 A ~ C 구간은, 핵비등 영역으로 전열면에서 국부적으로 기포가 생기고, 기포가 상승하면서 열을 전달한다.

D ~ E 구간은 막비등 영역으로, 전열면 전체를 기포막이 덮어버리고, 전열면의 온도가 급격히 상승한다.

C ~ D 구간은 부분막비등 영역으로, 핵비등에서 막비등으로 천이되는 구간이다. 기포들이 국부적으로 합쳐져 증기막이 형성되기 시작하는데 증기막의 열저항이 커서 열전달이 급감한다.

 

C 지점의 열유속을 임계열유속이라고한다. 이 임계열유속을 넘으면 부분막비등으로 천이되므로 넘지 않도록 운전해야 한다.

C를 넘어가는 것을 핵비등이탈이라고 하는데, 핵비등이탈은 DNBR( 핵비등이탈율)을 감시하므로서 방지할 수 있다.

 

DNBR = 임계열유속 / 국부 최대 열유속

 

DNBR이 기준값 ( 1.3) 보다 크도록 유지하면 핵비등이탈을 충분한 신뢰도를 가지고 방지할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

1번 : 반경방향 첨두계수란, 반경방향 최대출력 / 반경방향 평균출력으 의미한다. 첨두계수가 증가한다는 것은, 곧 최대출력이 증가한다는 소리고, 국부 최대 출력이 증가하므로, DNBR은 감소한다.

 

2번 : 냉각재 계통 온도가 증가하면, 위 그래프에서 오른쪽으로 가게 되는 것이다. C에 점점 가까워지므로 DNBR은 감소한다.

그래프의 X 축은 [전열면 표면온도 - 포화온도(끓는점)] 이다.

 

3번 : 유량이 증가하면 전열면에서 열제거가 잘되 전열면의 온도는 낮아지고 그래프에서 왼쪽으로 가게 된다. DNBR은 커진다.

 

4번 : 압력이 감소하면, 포화온도가 낮아진다. ( 끓는점이 낮아진다.) 그래프에서 오른쪽으로 가므로 DNBR은 작아진다.

 

정답 : 1

 

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48. 원자로용기에 가압열충격(PTS)을 유발할 수 있는 경우가 아닌 것은?
    ① 안전주입계통 동작
    ② 증기발생기 튜브 파열사고
    ③ 격납건물살수계통 동작
    ④ 주증기계통 안전밸브 개방 고착

 

가압열충격 : 계통압력이 높은 상태이거나 증가 중인 상태에서 급속하게 냉각이되면 압력용기 내/외벽간 온도구배가 형성된다. 이에 따라 열응력이 발생되어 압력용기가 파손될 수 있다. 이를 가압열충격이라고 한다.

특히 압력용기가 중성자에 조사되어 취화된 경우, 연성과 파괴인성이 감소하고 무연성천이온도가 증가한 상태에서 잘 발생한다.

 

가압열충격을 유발하는 경우는 다음과 같다.

1. 안전주입 동작 : 차가운 안전주입수가 갑자기 유입되어 냉각됨

 

2. 아래의 경우는 2차측으로의 열제거가 갑자기 커져 1차측의 온도가 급격히 낮아지는 경우

  - 과도한 급수 공급

  - 증기발생기 튜브 파단

  - 2차측 증기관 파열

  - 주증기안전밸브 개방으로 고착

 

 

격납건물살수계통은 원자로압력경계 밖에 영향을 미치므로 PTS와 무관하다.

 

정답 : 3

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49. 노심상부 출력이 0.52이고, 노심하부 출력이 0.48일 경우, 이 노심의 축방향출력편차(ASI : Axial Shape Index)는?
    ① -0.04    ② -0.02     ③ 0.02    ④ 0.04

 

 

축방향출력분포를 감시하기 위한 인자로, ASI가 일정값을 초과하면 원자로는 트립된다.

 

ASI = (하부출력 - 상부출력) / (하부출력 + 상부출력) = -0.04

 

정답 : 1

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50. 발전소보호계통(Plant Protection System)의 구성계통이 아닌 것은?
    ① 원자로보호계통    ② 터빈보호계통   ③ 공학적안전설비계통   ④ 다양성보호계통

 

발전소보호계통 PPS : 핵증기공급계통(NSSS)의 운전상태를 감시하여 정해진 설정치에 도달할 경우 신속하게 원자로를 정지시키는 계통으로 원자로보호계통과 공학적안전설비 작동계통으로 구성된다.

 

원자로보호계통은 과도상태에서 원자로가 안전제한치를 초과하지 않도록 신속하게 비상정지시키는 계통이다.

 

공학적안전설비 작동계통은 변수들이 설정치에 도달하면 공학적안전설비 작동신호를 발생시킨다.

 

다양성보호계통 : 원자로 정지, 터빈 정지, 보조급수 작동, 안전주입 작동, 원자로건물 격리 작동 등 기능을 한다.다양성을 갖춘 원자로 정지를 제공함으로써, 원자로 정지불능 시 예상과도에 의한 위험을 감소시키고 발전소보호계통의 공통원인 고장의 영향을 완화시킨다. 발전소보호계통이 동작하였으나 원자로가 트립되지 않을 경우 다양성보호계통이 작동된다.

 

 

정답 : 2